计算机操作系统教程(张尧学-史美林-张高)(第三版)第二章

第二章作业管理从宏观上研究一个程序从录入到运行，最后获得运行结果的全过程用户接口作业的概念作业的建立作业的状态和调度作业管理在OS中的地位§1、用户接口操作系统为用户提供两种接口，其中一类是为一般用户提供的操作命令接口，另一类为提供给编程人员的系统调用（systemcall）接口命令调用系统调用用户接口的发展命令调用方式命令形式内部命令系统启动时与操作系统一起装入内存——OS的一部分例DOS：Type,Dir,copy,……Windows:资源管理器中的菜单、按钮，……外部命令以文件形式存放，调用时装入内存例DOS：Edit,……Windows:桌面上的图标，快捷方式（图标），……使用命令的方式联机方式：单个命令，以交互方式通过OS与计算机系统进行会话优点：用户直接参与控制，灵活不足：重复输入命令，繁琐且效率低脱机方式：批命令，使用批处理命令或由命令编写的批处理文件优点：系统按批处理要求自动执行，用户不干预，效率高不足：不便于及时调整要执行的命令集合，灵活性差命令分类（书P27）环境设置执行权限管理系统管理文件管理执行管理通信资源要求系统调用系统调用的含义系统调用是操作系统为编程人员提供的接口，各种操作系统的核心中都设计有一组一组的用于实现各种系统功能的子程序作为机器指令的扩充。系统将这些子程序“开放”给用户，方便用户可靠地调用系统有关的资源，而用户不必从头熟悉或重新编写子程序。每当用户在程序中需要操作系统提供某种服务时，便可利用一条条相应的系统调用命令，去调用所需的系统过程。例DOS：库函数，……Windows:API，……系统调用的分类（书P32）设备管理文件管理进程管理进程通信存储管理调用中的几个概念陷入（访管）指令—把由于系统调用引起的处理机中断的指令称为陷入（访管）指令。广义指令—利用陷入指令来定义的指令称为广义指令。是通过执行相应的程序模块来实现的，它是机器指令的扩充。用户态（目态）——处理机在用户程序中执行系统态（管态）——处理机在系统程序中执行用户程序与陷入（访管）指令访问系统程序及数据的区别调用中若发生错误，用户程序的错误不影响系统，系统程序的错误可能引起系统崩溃系统数据用于管理系统状态与系统资源，用户程序调用中若被修改可能引起系统管理的混乱用户程序调用时现场保护在用户区内——系统资源的变化不能修改其中的数据。OS调用时现场保护在OS的内存区内或特定的寄存器中——系统资源的变化不能修改其中的数据。用户程序调用时控制权属于用户，OS调用时控制权属于OS。系统调用原则为了保障操作系统的安全性，使得操作系统的程序不被用户程序破坏，一般操作系统都不允许用户程序访问操作系统的系统程序及数据。编程人员可以利用陷入（访管）指令来向操作系统提出对系统程序及数据访问要求。系统调用的处理过程访管指令由“参数区”、“参数”和“操作数”组成。“操作数”用来表示请求操作系统所要干的工作，并说明是否要有参数区和具体参数。参数或参数区的首址通常约定放在某个通用寄存器中CPU执行到“访管”指令时，将“访管”指令存入主存中的约定单元，然后产生“访管”中断，根据参数区、参数和操作数引出操作系统来处理“访管”中的具体要求。用户程序陷入处理机构系统子程序用户接口（界面）的发展用户界面的发展第一代用户界面为一维界面，主要有命令行界面和编程人员在程序中的系统调用，如DOS及UNIX均采用此种界面方式。第二代用户界面为二维界面又称为图形界面，以窗口（windows）,图标（icon）、菜单（menu）为典型特征，由APPLE公司开创，以Microsoft公司的MS-Windows为里程碑，在UNIX系统下有X-window。第三代用户界面为三维界面，又称为虚拟现实（virtualreality），如三维动画设计、可视电话及网络视频会议等。界面管理的任务从面向最终用户的“作业”管理来看，用户界面已经成为计算机系统的一个重要组成部分，是计算机科学与心理学、图形艺术和人类学的交叉研究领域。寻求最佳的人机通信方式已是多媒体、虚拟现实和科学计算、可视化等技术所追求的目标，也是界面管理的最终任务。界面管理的功能实现高效的人机通信将人的听、说、手和眼等协同动作，采用多通道、以自然的方式交互，可以实现高效的人机通信改善计算机的可用性、可学性和有效性要求计算机能理解人的要求，甚至能纠正人的错误，智能化的界面是一个重要方向支持三维及多媒体技术需要有语音、图像和动画等多媒体支持为广大用户提供适应不同应用的众多界面构造工具及语言现有的GUI的开发工具有VisualBasic、VisualC++、VisualFoxPro、X-window等用户界面研究WIMP界面WIMP界面是指窗口（windows）、图符（icons）、菜单（menu）、指点装置（pointingdevices）,目前个人计算机流行的用户界面WYSIWYG技术WYSIWYG—whatyouseeiswhatyouget即为“所见即所得”多通道多通道—multi-modaluserinterface,MMI，人与机器被看成主动参与者,通过虚拟现实环境,人机以自然的交互方式,如语音、手势、眼神、表情、指点等与系统进行协作工作。人机询问技术人机询问技术—man-machineinterrogationtechnique,MMIT，人机交互技术的新发展，使机器能象人一样地进行“交谈”Post-WIMP时代（后WIMP时代）同时操作多个外设，例如多个传感器、多个通道、多个人同时使用以至能识别人的双手及人的形体语言的多模式识别X-windowX-window是1986年由美国MIT的雅典娜工程开发小组为了提供一个独立于硬件的用户图形界面而开发成功的，广为流行的是1988年3月发行的X11.2版本。尤其与UNIX操作系统结合，可运行于IBM-PC到各种大中型机以及巨型机上，它又可运行在X终端上。同时它也给程序员提供了工具箱（toolkit）和事件驱动型编程模型。虚拟现实虚拟现实（virtualreality,VR）是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉、嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界进行浏览和交互考察。实际应用的虚拟现实系统大体可分为：桌面虚拟现实系统沉浸虚拟现实系统分布式虚拟现实系统增强现实用户界面的设计特点计算机不断适应人的需求，以方便用户为目标。用户界面设计是计算机科学与心理学、图形艺术和人类学的结合。多窗口系统一般都采用事件驱动（eventdrive）的控制方式§2、作业的概念作业（job）用户角度我们把一次应用业务处理过程中，从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作称为一个作业。系统角度从计算机系统的角度看，作业是一个比程序更广的概念，它由程序、数据和作业说明书三部分组成。系统通过作业说明书控制文件形式的程序和数据，使之操作和执行。在批处理系统中，作业是抢占内存的基本单位。也就是说，批处理系统是以作业为单位把程序和数据调入内存以便执行的。作业步（jobsteps）用户把要求计算机系统做的一项相对独立的工作叫做一个作业步。例如图中编译、链接、执行就是作业步。作业由不同的顺序相连的作业步组成，一般来说，每一个作业步产生下一个作业步的输入文件。作业同步（jobsynchronization）所谓作业同步是指在一个作业中，下一个作业步能否执行下去，取决于前一个作业步是否成功完成。作业流（jobstream）在系统控制下，将一批作业依此输入到后援存储器中等待运行，这样就形成了一个作业流。作业类型（jobtype）用户作业分为两大类批量型作业可分为两种，利用作业说明书实行自动控制方式的作业称为脱机作业；利用控制台键盘操作命令直接控制的作业称为联机作业。终端型作业又称为交互型或会话型作业，通常在分时操作系统环境下运行，用户在终端上利用键盘命令控制和监督作业的运行，而系统把作业运行的情况和结果也及时反馈在用户终端上。在大型的操作系统中，常把终端用户作业称为“前台”作业，把批量型作业称为“后台”作业。作业说明书作业说明书主要包括三方面的内容，即作业的基本描述、作业控制描述和资源要求，它根据系统提供的控制命令及相关参数并按规定的语法书写。作业基本情况描述

用户名

作业名

使用语言名

允许最大处理时间

等等作业控制描述

控制方式

操作顺序

出错处理

等等作业资源要求描述

要求处理时间

内存空间

外存类型和数量

处理机优先级

库函数或实用程序

等等作业管理的任务方便用户建立作业组织调用系统内部资源在完成作业后归还资源作业管理的功能分门别类地组织控制作业的运行，解决作业的输入输出问题了解和申请机器资源系统工作状态的记录、跟踪、监控及调试提供用户或程序员在程序工作模式下的服务功能§3、作业的建立作业的建立过程一个作业的建立过程一般是作业的输入和系统建立起作业控制块（JCB—jobcontrolblock）两个子过程。作业输入作业建立建立JCB作业管理程序作业注册程序作业输入方式联机输入方式联机输入方式大多用于交互式系统中，用户和系统通过交互会话方式输入作业。近年来由于多媒体技术（Multi-Media）的发展，逐步形成了手写输入、语音输入、光电输入等输入方式。脱机输入方式脱机输入方式又称为预处理方式，脱机输入方式利用低档个人计算机进行输入处理。在低档个人机上，用户通过联机方式把作业首先输入到后援存储器，如磁盘或磁带上；然后，用户把装有输入数据的后援存储器拿到主机的高速外围设备上和主机相连，从而在较短的时间内完成作业的输入。脱机输入方式的优点是解决了作业的快进快出，相应提高了CPU的利用率。但其缺点也是明显的，主要有：需要人工干预，出错率受人的因素影响增加了作业周转时间不易实现优先级调度算法直接藕合方式它用一个大容量的共用存储器，把多台用作输入的低档机、共用存储器和主机固定连接起来，保留了脱机输入方式的优点，又克服了该方式需人工干预的缺点。低档ＰＣ机低档ＰＣ机共用存储器主机假脱机输入方式假脱机技术(SPOOLing或SPOOLer)SPOOLing技术实际上是一种外围设备同时联机操作技术（simultaneousperipheraloperationon-line）的缩写。又称为排队转储技术。工作原理SPOOLing系统既不同于脱机方式，也不同于直接藕合方式。它在输入和输出之间增加了“输入井”和“输出井”的排队转储环节，以消除用户的“联机”等待时间。在系统输入模块收到作业输入请求信号后，输入管理模块中的读过程负责将信息从输入装置中读入输入井缓冲区。当缓冲区满时，由写过程将信息从缓冲区写到外存的输入井中，读过程和写过程反复循环，直到一个作业输入完毕。当读过程读到一个硬件结束标志之后，系统再次驱动写过程把最后一批信息写入外存输入井并调用中断处理程序结束该次输入。然后，系统为该作业建立作业控制块，从而使输入井中的作业进入作业等待队列，等待作业调度程序选中后进入内存运行。系统在管理输入井过程中可以“不断”读入输入的作业，直到输入结束或输入井满而暂停。外存

输入井输出井输入装置输入装置通道通道输出装置输出装置通道主机系统输入管理模块输出管理模块SPOOLING系统网络输入方式当用户需要从计算机网络中将一台计算机的信息传送到联网的另一台主机上进行浏览（Browser）操作或执行下载（Download）等任务要求时，就构成网络输入方式。主要涉及网络通信技术。§4、作业的管理和调度作业的状态和处理流程作业从录入到输出在计算机中经历不同的阶段，相应地处于不同的状态。状态的变化反映了作业的处理流程录入作业作业注册作业执行结果输出撤消作业收容阶段执行阶段完成阶段后备状态执行状态完成状态收容阶段：作业录入并被注册后备状态：当作业注册程序为作业建立作业控制块（JCB）执行状态：后备作业经作业调度被装入内存，获得资源，占有CPU完成状态：作业的所有处理都结束作业撤消：系统回收资源，撤消JCB作业控制块作业控制块（JCB，JobControlBlock)是系统感知作业存在的标志作业控制块的结构作业在作业管理中是系统分配资源的基本单位，对收容状态的作业，作业调度算法确定何时开始执行作业调度功能采用作业控制块（JCB）表格，记录系统中各作业工作状况；根据选定的调度算法，从后备作业中选出一部分（多道情况）或一个作业投入运行；为被选中的作业做好运行前的准备，包括选择系统相应的“进程”执行单元以及为这些“进程”分配系统资源，首先判断用户的资源要求是否能够满足；作业处理后的善后处理工作，例如，回收资源和记帐等工作调度算法设计的目标系统尽量大的吞吐量CPU保持忙I/O保持忙对所有类型的作业尽量公平设计调度算法要考虑的主要因素算法应符合系统的总目标资源使用均衡，系统效率尽量高保证进入系统的作业在规定的时间内完成常用的作业调度算法先来先服务（firstcomefirstserve,FCFS）作业执行次序与作业进入输入井次序相同。优点实现简单对相同的或均衡的作业较为合理缺点不利于运行时间短的作业。最短作业优先法（shortestjobfist,SJF）最短作业优先法也就是选ti值小的优先，也就是只考虑运行时间。优点短作业得到了优先执行，提高了系统的效率。缺点当作业不断进入时，长的作业有可能长时间等待最高响应比优先法（highestresponse-rationext,HRN）最高响应比优先法（HRN）是对FCFS方式和SJF方式的一种综合平衡。HRN调度策略调度同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。响应比或称响应系数比R定义下：R=（W+T）/T=1+W/T其中：T为该作业估计需要的执行时间，W为作业在后备状态队列中的等待时间。优点同时具有FCFS算法及SJF算法的优点缺点实现复杂，每次调度前要对所有作业扫描一遍，比较以后再调度。定时轮转法按时间片轮转，可分为短时间的固定时间片（如，UNIX操作系统时间片为几毫秒至几十毫秒）和长时间的不固定时间片（如：Windows操作系统的抢占式多任务方式）。优先数法按优先数排队次序工作。分静态和动态：静态是在排队前计算优先数，动态是在调度时计算优先数。又可分为用户给定优先数（反映用户要求）和系统给定的优先数，例如，系统给定前台和后台工作的优先级，一般前台优先。事件驱动法MS-Windows采用的任务驱动方式，采用不固定的时间片分配来完成多任务。每当发生一些事件（event）就进入相应的事件调度程序。系统通过事件驱动程序执行任务。各种不同类型作业搭配调度算法一个操作系统的作业调度往往是综合性的，作业调度的原则主要要考虑的因素有CPU